超聲檢測(cè)是一項(xiàng)比較完善和成熟的技術(shù)。對(duì)不同材料需采用不同的檢測(cè)方法,以求達(dá)到快速、可靠地檢測(cè)出材料組織中的缺陷,為生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供準(zhǔn)確依據(jù)。
近,筆者對(duì)一種新開發(fā)的準(zhǔn)納米硬質(zhì)合金棒材進(jìn)行了超聲檢測(cè),結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要,設(shè)計(jì)了一套小型機(jī)械設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)該棒材的半自動(dòng)檢測(cè)。
1檢測(cè)方法的確定
首先根據(jù)材料的組織特性選定超聲檢測(cè)的頻率。該材料內(nèi)部晶粒相對(duì)較小,由于生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了缺陷基本上以微細(xì)裂紋和細(xì)小氣孔為主,因此選用頻率為10 mhz的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片,以進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的線聚焦探頭。檢測(cè)儀器選用汕頭超聲研究所的cts223型超聲探傷儀。
因?yàn)槿毕萦锌赡艽嬖谟诓牧媳砻婊騼?nèi)部,所以有必要設(shè)計(jì)兩個(gè)探頭對(duì)材料進(jìn)行超聲檢測(cè)。對(duì)于內(nèi)部缺陷,采用垂直入射法檢測(cè),即入射聲波垂直于棒材外圓切線;對(duì)于表面缺陷,采用水平偏移法檢測(cè)。
1.1材料聲速的測(cè)定
檢測(cè)前先用超聲測(cè)厚儀對(duì)該材料的聲速進(jìn)行測(cè)定。通過測(cè)定發(fā)現(xiàn)該材料在軸向和徑向上的聲速存在差異,也就是說,該材料內(nèi)部是各向異性的。但聲速的差異對(duì)超聲檢測(cè)的影響不是太大,另外,從盡量減少試驗(yàn)誤差考慮,選擇軸向聲速作為檢測(cè)過程中的參考值。為此挑選了三種不同直徑的硬質(zhì)合金棒材,測(cè)得其軸向長(zhǎng)度分別為91.2,92.4和84.2 mm,用超聲測(cè)厚儀在5 920 m/s縱波聲速下測(cè)得的長(zhǎng)度分別為90.1,88.8和80.1 mm。
現(xiàn)假設(shè)三種材料中的縱波聲速分別為v1,v2和v3,有
從以上三個(gè)不同數(shù)值基本上確定了該材料的聲速范圍,為方便起見,選取6 160 m/s作為該硬質(zhì)合金材料的縱波聲速,又根據(jù)vl≈1.83vs(vl和vs分別表示縱波和橫波聲速)可以得出該硬質(zhì)合金材料中的橫波聲速約為3 366 m/s。
1.2水平偏移法
首先假設(shè)被測(cè)棒材的半徑為r,如圖1所示,采用橫波探測(cè)表面缺陷,產(chǎn)生橫波的條件是
將各聲速代入上式,可得縱波入射角α滿足的條件為
不難得出當(dāng)硬質(zhì)合金內(nèi)的橫波折射角度是45°時(shí),如果棒材表面存在缺陷,則接收到的缺陷回波強(qiáng)。據(jù)此就可推算出需要的入射角,即
可見,滿足式(5)要求。
由圖1可以得到換能器軸心與棒材軸線偏移的距離x為
2聲透鏡的設(shè)計(jì)
線聚焦探頭聲透鏡的幾何焦距f為[1]
式中 r———聲透鏡的幾何半徑
n———聲折射率
n=vl水/vl鏡
幾何焦距fop與聲學(xué)焦距fac的關(guān)系為
式中n為近場(chǎng)長(zhǎng)度。由式(9)可較方便地求出聲透鏡的聲學(xué)焦距,從而進(jìn)一步求出聚焦探頭的線聚焦寬度w,即
式中 λ———波長(zhǎng)
d———線聚焦探頭寬度或直徑
由圖1可知,聲透鏡在耦合介質(zhì)中的聚焦點(diǎn)內(nèi)半角θ為
聲透鏡焦點(diǎn)落在水平軸線以下和以上的情況如圖1和2所示。中心、右邊緣和左邊緣聲波入射角可由下式計(jì)算[2]
當(dāng)焦點(diǎn)落在水平軸線以下,φ<θ 2時(shí),α="">η>γ;當(dāng)φ=θ/2時(shí),α=η>γ;當(dāng)φ>θ/2時(shí),η>α>γ。
此時(shí)右邊緣入射角大,左邊緣入射角小,棒材內(nèi)折射橫波的焦距隨φ值的增加而增大,可能直達(dá)棒材的外表面,這樣可大大提高探傷靈敏度,但是因?yàn)闄z測(cè)面積太小,所以檢測(cè)速度就會(huì)受到影響,而且對(duì)檢測(cè)儀器要求也高.
當(dāng)焦點(diǎn)落在水平軸線以上,φ<θ 2時(shí),則α="">γ>η;φ=θ/2時(shí),α=γ>η;φ>θ/2時(shí),γ>α>η。此時(shí)左邊緣折射角大,右邊緣折射角小。由圖2可見,左右側(cè)聲線相對(duì)快速向中間集中,到達(dá)棒材外壁時(shí)面積較大,使檢測(cè)靈敏度降低。
當(dāng)φ=0°時(shí),兩側(cè)的入射角相等,即η=γ<>
通過上述分析得出,當(dāng)焦點(diǎn)正好位于水平軸線上時(shí)檢測(cè)效果較好。
由圖1可知,要使得換能器與硬質(zhì)合金棒材之間水層的第二次回波出現(xiàn)在棒材下表面回波的右側(cè),水層的深度l1需滿足以下條件
式中l(wèi)2為超聲波橫波從入射點(diǎn)至棒材下表面的聲程,由圖2可知
由式(15)和(16)可得透鏡焦距f應(yīng)滿足的條件為
進(jìn)一步分析以上各式可以發(fā)現(xiàn),聲透鏡焦距f、中心內(nèi)半角θ和聲透鏡寬度d都是由入射角α和γ以及被檢棒材直徑?jīng)Q定,而不是任意選定的。θ值不可取得太大。否則中心點(diǎn)入射角和兩側(cè)入射角相差就會(huì)很大,這是在探傷中不希望出現(xiàn)的;另外還會(huì)使棒材在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生上下跳動(dòng),使得超聲波內(nèi)外側(cè)入射點(diǎn)位置產(chǎn)生較大變化,從而影響探傷結(jié)果。
另一方面,θ值又不能取得太小,否則在相同晶片寬度情況下,焦距就會(huì)變得很大,使得超聲波能量產(chǎn)生不必要的損失,從而影響探傷結(jié)果。選擇晶片寬度d時(shí),希望α和γ之間的差值<1°。
3半自動(dòng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)
解決了以上若干問題后,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一套小型機(jī)械設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)檢測(cè)。
如圖3所示,探頭固定塊夾持一個(gè)探頭可在被測(cè)棒材徑向自由移動(dòng),并能較準(zhǔn)確地控制移動(dòng)距離。為提高檢測(cè)靈敏度,減少檢測(cè)盲區(qū),盡量使用小螺紋調(diào)節(jié),選用螺距為1 mm的細(xì)螺紋(圖4),刻度盤均分成20份,調(diào)節(jié)旋鈕每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)格,探頭就將前進(jìn)或后退0.05 mm,基本可以滿足需要。
該設(shè)備中的棒材轉(zhuǎn)動(dòng)速度還要和超聲波的脈沖頻率相匹配,以保證不發(fā)生漏檢。
假設(shè)棒材旋轉(zhuǎn)的速度為n,聲束的有效檢查區(qū)域?yàn)棣?單位為rad),缺陷通過有效檢查區(qū)域的時(shí)間t為
為保證能有效檢測(cè),在時(shí)間t內(nèi)要有一次以上聲脈沖發(fā)射,適當(dāng)降低棒材轉(zhuǎn)速即可增加聲脈沖發(fā)射次數(shù)。另外,為保證不漏檢,用手沿棒材軸向移動(dòng)的速度不能太快,也就是說,當(dāng)棒材旋轉(zhuǎn)一周后,探頭移動(dòng)的距離不能大于探頭的直徑。在該項(xiàng)目中使用的是可調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié),避免了這一影響。
4實(shí)際檢測(cè)結(jié)果
在實(shí)際生產(chǎn)過程中,檢測(cè)了表1所示的幾種棒材。為保證不漏檢,每一種棒材都反復(fù)檢測(cè)2~3遍。檢出的缺陷有①材料生產(chǎn)過程中預(yù)留在棒材內(nèi)部的
需要說明的是,檢測(cè)不僅能夠發(fā)現(xiàn)以上缺陷,而且可以通過確定缺陷的起始和終止位置確定它的長(zhǎng)度,從而為判斷材料合格與否提供依據(jù)。
5結(jié)束語
以上研究及實(shí)踐證明,使用超聲波來檢測(cè)準(zhǔn)納米級(jí)硬質(zhì)合金棒材的缺陷是可行的。
參考文獻(xiàn):
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[2] 彭應(yīng)秋,朱 惠,鄭開勝.薄壁管探傷中水聲程公式分析[j].無損檢測(cè),1998,20(3):65-68半自動(dòng)超聲檢測(cè)硬質(zhì)合金棒材缺陷
客服1